JP2010093091A - 磁気メモリ、磁気メモリアレイおよび磁気メモリアレイへの情報書込み方法 - Google Patents

磁気メモリ、磁気メモリアレイおよび磁気メモリアレイへの情報書込み方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 読出し時に熱的に安定で、かつ書き込み時の電流を低減した、スピントルク磁化反転応用の磁気ランダムアクセスメモリを提供する。
【解決手段】 強磁性体からなる固定層、非磁性障壁層、強磁性体からなる記録層、記録層と磁気的に結合した強磁性体からなる強磁性付加層が順次積層されたメモリ素子を備え、前記記録層の磁化方向と前記固定層の磁化方向が、略平行か、略反平行かによって情報の検出を行い、さらに前記記録層の磁化の方向を、前記記録層の膜面に垂直な方向に通電するスピン偏極した電流でスイッチングする磁気メモリにおいて、前記強磁性付加層の磁化方向が前記記録層と略平行とし、前記強磁性付加層の磁化の大きさが、150℃から２５０℃の温度範囲で消失する材料で、前記強磁性付加層を構成する。
【選択図】 図６

Description

本発明は磁気メモリ、磁気メモリアレイおよび磁気メモリアレイへの情報書込み方法に関し、特に熱アシスト型磁気メモリに関し、特にスピントルク磁化反転を応用した磁気メモリ及び磁気ランダムアクセスメモリに関するものである。
近年、従来のダイナミック・ランダム・アクセスメモリ（ＤＲＡＭ）を置きかえる可能性を有する磁気ランダム・アクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が注目されている。従来のＭＲＡＭでは、例えば特許文献１に記載されているように、磁性膜／非磁性絶縁膜／磁性膜の多層構造を有するトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子の一方の磁化を、前記ＴＭＲ素子の上下に互いに直交する方向に設けられた２つの金属配線に流れる電流が作る合成磁界を用いて反転させることにより記録を行う方式が採用されている。しかしながら、ＭＲＡＭにおいても、大容量化のためＴＭＲ素子のサイズを小さくすると磁化反転に要する磁界の大きさが大きくなり、たくさんの電流を金属配線に流すことが必要となり、消費電力の増加、ひいては配線の破壊を招いてしまうという課題が指摘されている。
磁界を用いずに磁化反転する方法として、たとえば、非特許文献１に記載されているように、磁気再生ヘッドで用いられる巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）膜やトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）膜に、一定以上の電流を流すだけで磁化反転が可能であることが理論的に示された。その後、例えば非特許文献２には、二つのＣｕの電極の間にＣｏ／Ｃｕ／Ｃｏの多層膜（ＧＭＲ膜）を含む直径１３０ｎｍのピラーを形成し、前記ピラーに電流を流し、流れる電流のスピンからＣｏ層の磁化に与えられるスピントルクを用いて、Ｃｏ層の磁化を反転する記録方式の実験例が報告されている。さらに、近年では、たとえば、非特許文献３に記載されているように、ＴＭＲ膜を用いたナノピラーを用いて、スピントルク磁化反転が実証された。特にＴＭＲ膜を用いたスピントルク磁化反転では、従来のＭＲＡＭと同等以上の出力が得られるため、大いに注目を集めている。
以上言及したスピントルク磁化反転の模式図を図１に示す。図１において、ビット線１に、磁化方向が変化する第１の強磁性層（記録層）２、中間層３、磁化方向が固定された第２の強磁性層（固定層）４からなる磁気抵抗効果素子と、ゲート電極５で伝導を制御されたトランジスタ６が接続され、トランジスタのもう一方の端子はソース線７に接続されている。図１（ａ）のように、固定層４と記録層２の磁化を反平行（高抵抗）状態から平行（低抵抗）状態に変化させる場合には、電流８はビット線１からソース線７に流す。このとき、電子９はソース線７からビット線１に流れる。一方、図１（ｂ）のように、固定層４と自由層２の磁化を平行（低抵抗）状態から反平行（高抵抗）状態に変化させる場合には、電流８はソース線７からビット線１の方向に流せばよい。このとき、電子９はビット線１からソース線７の方向に流れる。
その後、例えば特許文献２に記載されているように、上記記録層２の中間層の側とは反対側に反強磁性膜を付加する構造が提案された。その模式図を図２に示す。図２において、２１は電流９を通電したときに熱を発生する発熱体、２２は反強磁性膜、２３は固定層２３の磁化を一方向に固定する別の反強磁性膜である。
さらに、例えば特許文献３に記載されているように、図１の記録層２の中間層の側とは反対側に、磁化の方向が記録層２と反対に向いたフェリ磁性膜を付加する構造が提案された。その模式図を図３に示す。図３において、31は磁化の方向が記録層２と反対に向いたフェリ磁性膜、１はビット線であり、発熱体21はビット線１の中に埋め込まれている。この例では、記録層の磁化の反転にはビット線１と記録用ワード線（図中には陽に記載されていない）を流れる電流によって発生する磁界が用いられる。ビット線１を流れる電流３２は、発熱体を発熱させる働きも有する。
米国特許第５７３４６０５号公報 日本国特許公表公報2008-510047号 日本国特許公開公報2008-98557号 Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, L1-6 (1996) Physical Review Letters, Vol.84, No.14, pp.2149-2152(2000) Applied Physics Letters, Vol. 84, pp.2118-2120(2004) Physical Review B、62巻、第１号のページ570から578
しかし、従来のこれらのＭＲＡＭには、以下のような問題がある。
スピントルク磁化反転を応用した磁気メモリでは、書換え電流の低減と不揮発性を保証する熱安定性の確保が極めて重要である。スピントルク磁化反転の書換え電流は電流密度で決まることが知られており、例えば非特許文献４によれば、しきい電流密度Jc0は（数１）で与えられることが知られている。
Figure 2010093091
ここで、aはギルバートのダンピング定数、Msは記録層２の飽和磁化、ｔは記録層の膜厚、ｇはスピントルクの効率、Hkは記録層の異方性磁界、Meffは膜面に垂直方向に働く反磁界の効果を差し引いた記録層の有効磁化、ｍ0は真空の透磁率である。
一方、熱安定性を特徴づけるエネルギー障壁、すなわち二つの安定な磁化方向の間で磁化反転をするために必要なエネルギーＥは、（数２）で与えられる。
Figure 2010093091
ここで、SはTMRピラーの断面積である。
数１、２からわかるように、Jc0、EともにMsｔに比例する量である。したがって熱安定性を確保するためにMstを増加させるとJc0も大きくなり、書き込みに要する消費電力が増える。他方、しきい電流を減らすためにMstを減少させるとEも減少し、熱安定性が損なわれる。すなわち、Jc0とEはトレードオフの関係にある。
図２に示した従来例は、上記トレードオフの関係を改善する効果がある。図２の場合、Jc0を表す（数１）は（数３）
Figure 2010093091
と書き換えられる。ここでHex(T)は、温度Tに依存する反強磁性層22から記録層２に作用する交換結合磁界である。一方、障壁エネルギーEを与える（数２）は、（数４）
Figure 2010093091
と書き換えられる。図２の従来例におけるJc0とEと温度の関係を表した図が図５である。数３、数４に含まれるHex(T)は、ブロッキング温度TB以上でゼロとなる。ブロッキング温度TBは、反強磁性層22が反強磁性体から常磁性体に変わる温度である。Hex(T)は温度上昇とともに減少するので、温度T>TBでスピントルク磁化反転を行えば、Jc0は図４のように、室温（読出し温度）のJc0に比べて大幅に低減できる。一方、Eは、室温（読み出し温度）ではT>TBに比べ大幅に増加するので、記録層２は、室温では熱安定性の高い状態を維持できる。しかしながら、図２の構成ではスピントルク磁化反転を行った後、反強磁性膜22を磁化反転後の記録層２の向きに着磁しなくてはならない。通常その磁界は１kOeとかなり大きく、MRAMチップの内部で発生させることが困難であるという問題がある。
図３で示した従来例では、フェリ磁性膜31の磁化が温度上昇とともに減少することを利用し、磁化反転に必要な電流磁界の低減を目指したものである。この従来例では、情報の書き込みにスピントルク磁化反転を用いていない。もし、図３の構成でTMRピラーにスピントルク磁化反転電流を通電することを考えると、記録層２の磁化とフェリ磁性膜21の磁化が互いに反対方向を向いていることから、これらの両者を透過する電流のスピン偏極度が減少し、Jc0が大きくなってしまうという課題があった。
本発明の目的は、Jc0低減とE増大を同時に成し遂げうるTMRセルとスピントルク磁化反転書き込み方式を提供することにある。
強磁性体からなる固定層、非磁性障壁層、強磁性体からなる記録層、記録層と磁気的に結合した強磁性体からなる強磁性付加層が順次積層されたメモリ素子で、前記記録層の磁化方向と前記固定層の磁化方向が、略平行か、略反平行かによって情報の検出を行い、さらに前記記録層の磁化の方向を、前記記録層の膜面に垂直な方向に通電するスピン偏極した電流でスイッチングする磁気メモリを構成し、前記強磁性付加層の磁化方向が前記記録層と略平行とし、前記強磁性付加層の磁化の大きさが、150℃から２５０℃の温度範囲で消失するようにする。
あるいは、強磁性体からなる固定層、非磁性障壁層、強磁性体からなる記録層、記録層と隣接して非磁性障壁層と反対側に設けられた非磁性層、強磁性体からなる強磁性付加層が順次積層されたメモリ素子で、前記記録層の磁化方向と前記固定層の磁化方向が、略平行か、略反平行かによって情報の検出を行い、さらに前記記録層の磁化の方向を、前記記録層の膜面に垂直な方向に通電するスピン偏極した電流でスイッチングする磁気メモリを構成し、前記強磁性付加層の磁化が前記記録層の磁化と、前記非磁性層を介して互いに反平行に交換結合させ、かつ、前記強磁性付加層の磁化の大きさが、150℃から２５０℃の温度範囲で消失するようにする。
あるいはまた、強磁性体からなる固定層、非磁性障壁層、強磁性体からなる記録層、記録層と隣接して非磁性障壁層と反対側に設けられた非磁性層、強磁性層、前記強磁性層と磁気的に結合している強磁性体からなる強磁性付加層が順次積層されたメモリ素子で、前記記録層の磁化方向と前記固定層の磁化方向が、略平行か、略反平行かによって情報の検出を行い、さらに前記記録層の磁化の方向を、前記記録層の膜面に垂直な方向に通電するスピン偏極した電流でスイッチングする磁気メモリを構成し、前記強磁性付加層の磁化方向が前記記録層と略平行とし、前記強磁性付加層の磁化が、150℃から２５０℃の温度範囲で消失するようにする。
前記磁気メモリにおいて、前記固定層の磁化が前記記録層とは反対の面に固定層と接触して設けられた反強磁性層からの交換結合力で固定する。
あるいはまた、前記磁気メモリにおいて、前記固定層が、非磁性の中間層を挟んだ２層の強磁性層で構成され、２層の強磁性層が互いに反平行に交換結合しているようにする。
さらに、前記磁気メモリにおいて、前記強磁性付加層を、GdCo、GdFeCo、GdFe、GdDyFe、GdDyCo、GdDyFeCoのいずかで構成する。これらの材料を強磁性付加層に用い、かつ、強磁性付加層を150℃から２５０℃の温度範囲とすると、強磁性付加層の磁化の大きさを実質的に０とすることができる。つまり、強磁性付加層の磁化を実質的に消失させることが可能である。
さらにまた、強磁性体からなる固定層、非磁性障壁層、強磁性体からなる記録層、記録層と隣接して非磁性障壁層と反対側に設けられた非磁性層、強磁性層、前記強磁性層と磁気的に結合している強磁性体からなる強磁性付加層が順次積層されたメモリ素子で、前記固定層をCoFeB、前記障壁層をMgO、前記記録層をCoFeB、前記非磁性層をRu、前記強磁性層をCoないしCo、Ni,Feを含む合金、前記強磁性付加層を、GdCo、GdFeCo、GdFe、GdDyFe、GdDyCo、GdDyFeCoのいずかで構成する。
さらに、例えば、図６に示すように、前記メモリ素子の強磁性付加層側に発熱体が設け、前記メモリ素子の強磁性付加層と反対側の端部に、磁気メモリに電流を通電するためのトランジスタを接続する。
さらに、前記トランジスタの一端を第一の書込みドライバー回路に接続されたソース線に電気的に接続し、前記発熱体の一端を、第二の書込みドライバーと読出し信号を増幅するアンプに接続されたビット線に接続し、前記トランジスタの抵抗を制御するワード線を備え、該ワード線が第三の書込みドライバーに接続する。
さらに、前記磁気メモリアレイにおいて、前記ビット線の一端に接続された第一の可変抵抗素子と、前記ビット線の他端に接続された第二の可変抵抗素子と、前記第一の可変抵抗素子の抵抗を変化せしめるために用いられる第一の電圧印加手段と、前記第二の可変抵抗素子の抵抗を変化せしめるために用いられる第二の電圧印加手段を設け、書込み動作時には、前記第一の電圧印加手段と前記第二の電圧印加手段との間に電流を流し、前記ビット線と前記ソース線との間にスピン偏極した電流を流すことで生じるスピントルクを用いて記録層の磁化を反転させる。
さらにまた、前記磁気メモリへ情報を書き込む場合において、前記第一の電圧印加手段と前記第二の電圧印加手段との間に流す電流を最初に流しはじめ、次に、前記ビット線と前記ソース線との間にスピン偏極した電流を流しはじめ、次に、前記ビット線と前記ソース線との間にスピン偏極した電流を切り、最後に前記第一の電圧印加手段と前記第二の電圧印加手段との間に流す電流を切るようにする。
本発明によれば、読出し時に熱的に安定で、かつ書き込み時の電流を低減した、スピントルク磁化反転応用の磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。
以下、本発明を、図面を用いて詳細に説明する。
図６に、本発明を用いた磁気メモリセルの第１の実施例を示す。１はビット線、21は発熱体、６１は記録層２と強磁性結合し、かつ室温からの温度上昇とともに飽和磁化の大きさが小さくなる強磁性付加層、２は記録層、３は障壁層、４は磁化の向きが反強磁性層３５により一方向に固定された固定層、３５は反強磁性層、６は電流のオン/オフをゲート５に印加される電流で制御されたトランジスタ、７はソース線である。
次に、このメモリの書込み動作について説明する。図６で示した第１の実施例の構成の場合のしきい電流密度Jc0は数５で表される。
Figure 2010093091
一方、エネルギー障壁Eは数６で表される。
Figure 2010093091
ここで、添字１は、物理量が記録層２の物理量であることを示し、添字２は物理量が強磁性付加層の物理量であることを示している。実施例１におけるJc0とEの温度依存性を表した図が図７である。記録層２の飽和磁化Ms1(T)および有効飽和磁化+Meff_1(T)は、温度の上昇とともに僅かに減少していくが、それほど温度上昇に対して変化しない。これに対して、強磁性付加層の飽和磁化Ms2(T)と有効飽和磁化Meff_２(T)は温度の上昇とともに急激に減少し、ある温度Tc以上でゼロとなる。したがって数５において、書き込み時の温度T>Tcでは、a2Meff_2(T)Ms2(T)t2はゼロとなり、このときのしきい電流密度Jc0_wは、読出し時の温度(室温)におけるしきい電流密度Jc0_rに比べて大幅に小さくすることが可能となる。一方、数６に示したように、Eは、書き込み時の温度T>Tcにおける値E_w比べ、読出し時（室温）での値E_rの方が大きく、熱的に安定となる。例のこの実施特長は、記録層２と強磁性層付加層61の材料によってJc0とEを調節できる点にある。すなわち、書き込み時のJc0は記録層２の材料定数のみで決まるので、a1Meff_1(T)Ms1(T)が小さい材料を選択し、かつ膜厚t1を小さくすることで、Jc0を小さくすることができる。一方、読出し時のEには強磁性付加層61の材料定数が付加される。その材料としてMs2(T)Hk2の大きな材料を選択し、さらにその膜厚t2を大きくすることで、障壁エネルギーEの値を大幅に増大させることができる。
図８は、本発明を用いた磁気メモリセルの第２の実施例を示す図である。１はビット線、21は発熱体、61は強磁性付加層、81はRuなどの交換結合を媒介する薄い非磁性金属層、２は記録層で、強磁性付加層61と記録層２は、非磁性金属層81を介して、互いに逆向きの磁化方向となるように交換結合している積層フェリ記録層となっている。３は障壁層、４は磁化の向きが反強磁性層３５により一方向に固定された固定層、３５は反強磁性層、６は電流のオン/オフをゲート５に印加される電流で制御されたトランジスタ、７はソース線である。本実施例では、セルの温度Tに対するしきい電流密度Jc0は、数５を積層フェリ記録層のスピントルク磁化反転に対応して修正した数７で表される。
Figure 2010093091
ここで、g1、g2は記録層２、強磁性付加層61に作用するスピントルクの効率である。エネルギー障壁の温度依存性は数６で表される。本実施例において、記録温度T>TcでJc0を下げ、読出し温度（室温）で熱的に安定にするためのガイドラインは、実施例１と同じである。しかし本実施例では、記録層２と強磁性付加層61がRuで隔てられているため、記録層２の材料と強磁性付加層の材料の結晶構造が異なるものを選択できるので、材料の組み合わせが、さらに大きくできるという特長を有している。
図９は、本発明を用いた磁気メモリセルの第３の実施例を示す図である。１はビット線、21は発熱体、61は強磁性付加層、91は強磁性層で、81はRuなどの交換結合を媒介する薄い非磁性金属層、２は記録層で、強磁性付加層61と記録層２は、非磁性金属層81を介して、互いに逆向きの磁化方向となるように交換結合している積層フェリ記録層となっている。３は障壁層、４は磁化の向きが反強磁性層３５により一方向に固定された固定層、３５は反強磁性層、６は電流のオン/オフをゲート５に印加される電流で制御されたトランジスタ、７はソース線である。本実施例では、強磁性層91と記録層２が積層フェリ構造となっており、強磁性層91と強磁性付加層61が強磁性結合している。本実施例では、セルの温度Tに対するしきい電流密度Jc0は、数５を積層フェリ記録層のスピントルク磁化反転に対応して修正した数８で表される。
Figure 2010093091
ここで、添字１は、物理量が記録層2の物理量であることを示し、添字２は物理量が強磁性層91の物理量であることを示し、添字３は物理量が強磁性付加層61の物理量であることを示している。また、エネルギー障壁Eの温度依存性は、数６を修正した数９で表される。
Figure 2010093091
本実施例において、記録温度T>TcでJc0を下げ、読出し温度（室温）で熱的に安定にするためのガイドラインは、おおむね実施例１と同じである。しかし本実施例では、記録層２と強磁性層91がRuで隔てられているため、記録層２の材料と強磁性層91の材料の結晶構造が異なるものを選択できるので、材料の組み合わせが、さらに大きくできるという特長を有している。また、強磁性層91の材料は、強磁性付加層61と強く強磁性結合する材料を選ぶこともでき、全体としての材料選択の選択肢が広がるという特長を有する。
（１）メモリ素子の膜構造の例
以下、具体的な膜構造に即したメモリ素子の構造を述べる。
第一の膜構成：図６において、反強磁性層35としてMnIr、固定層4としてはCoFeB、絶縁障壁層３としてMgO、記録層２としてCoFeB、強磁性付加層としてGdCoを用いる。このうち、CoFeB、MgO、CoFeBの３層膜は、高いトンネル磁気抵抗（TMR）効果と高いスピントルク磁化反転効率ｇを実現するのに必須な構成である。固定層４を、さらにMnIr側からCoFe、Ru、CoFeBの３層構造とし、CoFeとCoFeB層がRuを介して互いに磁化の向きが反対方向に交換結合している積層フェリ構造とすることもできる。固定層を積層フェリ構造とすると、反強磁性層MnIrと、その上に形成されたCoFe層を面心立方格子構造として、CoFe層へのMnIr層からの交換結合力を強め、かつRu層上のCoFeBを、製膜時にアモルファス構造とすることで、その上に形成するMgO層を（001）面方向に優先配向させ、製膜後に250℃から４００℃の温度で磁界中熱処理することにより、固定層側のCoFeB層および記録層２として用いるCoFeB層を、体心立方構造の(001)方向に結晶化することで、さらに容易に高いTMR効果と高いスピントルク磁化反転効率ｇを実現することができる。記録層として用いるCoFeB上に製膜されるGdCoはアモルファス膜であり、CoFeBの結晶化になんら影響を与えない点も、前記磁界中熱処理によるCoFeB/MgO/CoFeBの高TMR化処理と両立する優れた膜である。強磁性付加層としては、GdCoの他、GdFeCo、GdFe、GdDyFe、GdDyCo、GdDyFeCo等が好ましく用いられる。記録層２のCoFeBの組成をCo:Fe:B＝2：6：2とした場合、300℃で熱処理した後の室温での飽和磁化m0Ms1(T)は1.4Tであり、強磁性付加層61としてGdCoを用いた場合の飽和磁化m0Ms2(T)は、0.36Tであった。膜厚t1を1.5nm、膜厚t2を10nmと設計した。GdCo層の磁化は200℃でほぼ消失し、記録温度を220℃とした場合、Jc0の値は、室温の場合の0.7倍になった。一方、室温でのEの値は、強磁性付加層61の効果により2倍以上に高められるので、本実施例が、高いEと低いJc0の値を両立する構成であることがわかる。
第二の膜構成：図８において、反強磁性層35としてMnIr、固定層4としてはCoFeB、絶縁障壁層３としてMgO、記録層２としてCoFeB、さらに薄いRu層81を挟んで、強磁性付加層としてGdCoを用いる。このうち、CoFeBとGdCoは互いに逆向きの磁化方向となるように交換結合している積層フェリ記録層であり、CoFeB、MgO、CoFeBの３層膜は、高いトンネル磁気抵抗（TMR）効果と高いスピントルク磁化反転効率ｇを実現するのに必須な構成である。固定層４を、さらにMnIr側からCoFe、Ru、CoFeBの３層構造とし、CoFeとCoFeB層がRuを介して互いに磁化の向きが反対方向に交換結合している積層フェリ構造とすることもできる。固定層を積層フェリ構造とすると、反強磁性層MnIrと、その上に形成されたCoFe層を面心立方格子構造として、CoFe層へのMnIr層からの交換結合力を強め、かつRu層上のCoFeBを、製膜時にアモルファス構造とすることで、その上に形成するMgO層を（001）面方向に優先配向させ、製膜後に250℃から４００℃の温度で磁界中熱処理することにより、固定層側のCoFeB層および記録層２として用いるCoFeB層を、体心立方構造の(001)方向に結晶化することで、さらに容易に高いTMR効果と高いスピントルク磁化反転効率ｇを実現することができる。GdCoはRu上に容易に製膜でき、構造はアモルファス膜である。強磁性付加層としては、GdCoの他、GdFeCo、GdFe、GdDyFe、GdDyCo、GdDyFeCo等が好ましく用いられる。記録層２のCoFeBの組成をCo:Fe:B＝2：6：2とした場合、300℃で熱処理した後の室温での飽和磁化m0Ms1(T)は1.4Tであり、強磁性付加層61としてGdCoを用いた場合の飽和磁化m0Ms2(T)は、0.36Tであった。膜厚t1を1.5nm、膜厚t2を5.8nmと設計した。この場合、室温でのCoFeB記録層２のm0Ms1(T)t1とGdCo層61のm0Ms1(T)t2とは等しくなるので、記録層２と強磁性付加層61からなる積層フェリ構造から、固定層４にかかる漏洩磁界はほとんどゼロとなり、ゼロ磁場において、容易に反平行状態（高抵抗）と平行状態（低抵抗）の双安定な状態を作り出すことができる。ＧｄＣｏ層の磁化は２００℃でほぼ消失し、記録温度を２２０℃とした場合、Ｊｃ０の値は、室温の場合の0.82倍になった。一方、室温でのEの値は、強磁性付加層61の効果により1.5倍以上に高められるので、本実施例が、高いEと低いJc0の値を両立する構成であることがわかる。
第三の膜構成：図９において、反強磁性層35としてMnIr、固定層4としてはCoFeB、絶縁障壁層３としてMgO、記録層２としてCoFeB、Ru層81を介し記録層２を構成するCoFeBと磁化の向きが反対になるよう交換結合している強磁性層91にはCoFe、強磁性付加層としてGdCoを用いる。このうち、CoFeB、MgO、CoFeBの３層膜は、高いトンネル磁気抵抗（TMR）効果と高いスピントルク磁化反転効率ｇを実現するのに必須な構成である。固定層４を、さらにMnIr側からCoFe、Ru、CoFeBの３層構造とし、CoFeとCoFeB層がRuを介して互いに磁化の向きが反対方向に交換結合している積層フェリ構造とすることもできる。固定層を積層フェリ構造とすると、反強磁性層MnIrと、その上に形成されたCoFe層を面心立方格子構造として、CoFe層へのMnIr層からの交換結合力を強め、かつRu層上のCoFeBを、製膜時にアモルファス構造とすることで、その上に形成するMgO層を（001）面方向に優先配向させ、製膜後に250℃から４００℃の温度で磁界中熱処理することにより、固定層側のCoFeB層および記録層２として用いるCoFeB層を、体心立方構造の(001)方向に結晶化することで、さらに容易に高いTMR効果と高いスピントルク磁化反転効率ｇを実現することができる。Ru上には多結晶体でかつ面心立方構造をしたCoFe強磁性層91を形成し、その上アモルファスであるGdCoを形成する。アモルファスのGdCo層はCoFe高磁性層の結晶構造になんら与えない。強磁性付加層としては、GdCoの他、GdFeCo、GdFe、GdDyFe、GdDyCo、GdDyFeCo等が好ましく用いられる。記録層２のCoFeBの組成をCo:Fe:B＝2：6：2とした場合、300℃で熱処理した後の室温での飽和磁化m0Ms1(T)は1.4Tであり、強磁性膜であるCoFe層91の室温での飽和磁化m0Ms2(T)は1.1Tであり、強磁性付加層61としてGdCoを用いた場合の飽和磁化m0Ms3(T)は0.36Tであった。そこで膜厚t1を1.5nm、膜厚t2を1nm、膜厚t3を2.8nmと設計した。GdCo層の磁化は200℃でほぼ消失し、記録温度を220℃とした場合、Jc0の値は、室温の場合の0.5倍になった。このJc0の大幅な低下には、記録温度で強磁性付加層の飽和磁化や有効飽和磁化がゼロになるという効果に加え、記録温度付近では記録層２と強磁性層91からなる積層フェリ構造の磁化磁化のみがのこり、有効な飽和磁化と膜厚の積の差、m0Ms1(T)t1- m0Ms2(T)t2が、2T・nmと、膜厚1.5nmの記録層２が単独で存在する場合の値3nm・Tの２/３倍である効果が加わって実現したものである。一方室温の場合、室温でのEの値は、強磁性層９１および強磁性付加層61の効果により2倍以上に高められるので、本実施例が、高いEと低いJc0の値を両立する構成であることがわかる。
以上は、いずれも典型的な例について、発明の詳細を説明したが、本発明でキーポイントとなる磁気メモリ素子の温度の制御について、以下説明する。
発熱体21によって加熱される磁気メモリ素子の温度範囲は、以下の二つの点で決定される。まず温度の上限は、磁気メモリ素子を構成する材料の拡散が顕著にならないという温度あることが必要である。上記の実施例では、固定層や記録層にCoFeBを用い、また反強磁性体としてIrMnを用いている。固定層や記録層には、一般にはCo,Fe,Niを含む合金が、反強磁性体としてはIrMnの他に、PtMnやFeMnなどMnを含む合金を用いる。しかし、これらの材料、特にBとMnは、詳細な検討から温度250℃以上で拡散が顕著になることがわかっており、これ以上の温度に加熱することは好ましくない。上記実施例であげたGdCoの他、GdFeCo、GdFe、GdDyFe、GdDyCo、GdDyFeCo等の合金は、その組成を制御することで、磁化を消失する温度Tcを調節することが可能であるが、前記の温度範囲の上限から、磁化を消失する温度Tcが２５０℃以下になるように、組成を調節しなければならない。
一方、温度範囲の下限は、磁気メモリを使用する環境に応じて決められる。通常の磁気メモリに要求される環境温度は約１００℃程度である。このような状況で、数６、数９に従って、熱的に安定なエネルギー障壁を得るには、環境温度の上限よりさらに５０℃程度高い温度Tcで、磁化が消失するように材料を設計することが必要である。上記で強磁性付加層51用の材料としてあげた材料群では、室温以上での磁化の大きさは、温度上昇とともに単調に減少するので、もしTcを150℃以上に設定すれば、100℃においても、室温の50％程度のMsを維持できるので、十分の熱安定性を確保できる。もし、車載用途のように環境温度として１２０℃を要求される場合は、Tcは１７０℃以上になるように材料を設計する。このように、上記強磁性付加層用の材料は、様々の製品用途に対して、温度特性を柔軟に制御しえる点も、優れた点であるということができる。
（２）強磁性付加層の再着磁
本発明のように、過熱して磁化が消滅する強磁性付加層を持ち場合には、冷却時に所定の方向を向いた磁化を持つように、アシスト磁界を印加することが、メモリとしての信頼性を高めるために重要である。図１０はその方法を示したものである。図１０にちおいて、102はトランジスタ（図には示されていない）とTMR膜を接続するために用いられt金属膜、105は反強磁性層35を成長させるための下地金属膜、35は反強磁性層、4は固定層、３は障壁層、２は記録層、61は強磁性付加層、21は発熱体層、101は発熱体層とビット線１を接続する金属膜、103はビット線の中を流れる電流、104はビット線を流れる電流103がビット線のまわりに作る電流磁界である。図１０は、図６で開示された本発明の第１の実施例に即して描かれているが、基本的な構造、および着磁の方法は、図８で開示された実施例２、図９で開示された実施例３でも同様である。
図１０が、スピントルク磁化反転後の状況を表していると仮定する。すなわち記録層２の磁化がピン層４の磁化と反平行な方向から平行な方向に反転した場合と仮定する。このとき、記録温度から冷却が始まると、温度Tc以下で強磁性付加層91は再び磁化を有するようになる。このとき、所定のビット線電流103を流し続けることで、強磁性付加層の磁化をきちんと記録層２と同方向に向かせるための磁界１０４を発生させることができる。他方、記録層２の磁化がピン層４の磁化と平行な方向から反平行な方向に反転した場合は、磁化反転後に必要となる磁界の方向は104と逆向きであり、電流103の向きを逆向きに修正する必要がある。
図１１は、TMR素子に流すスピントルク磁化反転のための電流９と、ビット線に流す電流103のタイミングチャートの一例を示したものである。スピントルク磁化反転のための電流９の正の向きは、電流９が固定層4から自由層２へ流れる場合と定義する。一方、ビット線を流れる電流の向きは、電流磁界の向きが固定層４の磁界の向きと反対の場合を正と定義する。
図１１(a)のように平行配置から反平行配置に磁化反転する場合は、まずビット線に流す電流103をオンする。この場合、電流103の作る磁界104は、記録層２と強磁性付加層61の磁化と反対向きであり、これらの層の磁化を不安定化してスピントルク磁化反転をアシストする効果を有する。次にTMRに電流９をオンする、この電流により発熱体21が発熱し、発熱体21に隣接する強磁性付加層61が過熱されて磁化を失う。同時に、スピントルクが記録層２に働いて磁化反転が起こる。所定の時間、電流９と電流103を流してスピントルク磁化反転が終了したのち、まずTMRに流す電流９をオフする。これにより、発熱体21から強磁性付加層61への熱の供給がストップするので、強磁性付加層61の温度はキュリー温度Tcを超えて下がり、再び磁化を持つようになる。このとき、電流103によって発生する磁界104は、スピントルク磁化反転後の記録層２の磁化の方向と同一であり、強磁性付加層61の磁化が記録層２の磁化と同一方向を向くように作用する。さらに所定の時間電流103を流したのち、電流103をオフして記録動作を完了する。
図１１(b)のように平行配置から反平行配置に磁化反転する場合も、まずビット線に流す電流103をオンする。この場合、電流103の向きは、平行配置から反平行配置での磁化反転の場合と反対向きであり、電流103の作る磁界104は、記録層２と強磁性付加層61の磁化と、やはり反対向きとなる。すなわち、これらの層の磁化を不安定化してスピントルク磁化反転をアシストする効果を有する。次にTMRに電流９をオンする、電流９の向きも、平行配置から反平行配置での磁化反転の場合と反対向きである。この電流により発熱体21が発熱し、発熱体21に隣接する強磁性付加層61が過熱されて磁化を失う。同時に、スピントルクが記録層２に働いて磁化反転が起こる。所定の時間、電流９と電流103を流してスピントルク磁化反転が終了したのち、まずTMRに流す電流９をオフする。これにより、発熱体21から強磁性付加層61への熱の供給がストップするので、強磁性付加層61の温度はキュリー温度Tcを超えて下がり、再び磁化を持つようになる。このとき、電流103によって発生する磁界104は、スピントルク磁化反転後の記録層２の磁化の方向と同一であり、強磁性付加層61の磁化が記録層２の磁化と同一方向を向くように作用する。さらに所定の時間電流103を流したのち、電流103をオフして記録動作を完了する。
TMRに流す電流９の値は、TMRサイズに反比例して小さくなる。TMRのサイズが0.1平方ミクロン程度である場合、上記実施例１−３の材料系の場合、約100μＡ程度である。一方、ビット線１に流す電流103を同じく500μＡとすると、ビット線1と強磁性付加層61の間の距離を50nmとした場合、強磁性付加層61に印加される磁界は20Oe程度となる。この程度のアシスト磁界があれば、強磁性付加層61は磁化反転後にきちんと記録層２の磁化の方向に着磁される。
（３）メモリアレイ構造
次に、図12を用いて本発明のメモリ回路の一例を示す。図12において１はビット線、121は本発明の実施例１から３のいずれかの構造を有するTMR素子であり、７ばソース線、6はセル選択トランジスタ、122はワード線、127は一つのメモリセルを表す。122125はビット線に流す電流103の大きさを制御する抵抗変化素子（この例の場合はトランジスタ）、124と126は抵抗変化素子122125の伝導状態を制御する抵抗制御用のワード線である。本構成の場合の書込みは、例えばセル127への書き込みを行う場合、まず、電流を流したいビット線１に接続された書き込みドライバーにライトイネーブル信号を送って昇圧し、次に抵抗制御ドライバの電圧を制御して、ビット線１に所定の電流を流す。電流の向きに応じ、抵抗変化素子123に接続されている書き込みドライバーないし、抵抗変化素子125に接続されている書き込みドライバーのいずれかをグランドに落として、電位差を調節して電流方向を制御する。次に所定時間経過後、ワード線に接続された書き込みドライバーにライトイネーブル信号を送り、書き込みドライバーを昇圧して、トランジスタ６をオンにする。これによりTMR素子に電流が流れ、スピントルク磁化反転が行われる。予定の時間、トランジスタ6をオンにしたのち、書込みドライバーへの信号を切断し、トランジスタ６をオフにする。読出しの際は、読出したいメモリセルにつながったビット線１のみを読出し電圧Ｖに昇圧し、選択トランジスタ6につながっているソース線のみを他方の書込みドライバーで選択してトランジスタ6をオンにして電流を流して、読出しを行う。この場合、読出し時の電流方向は、つねにソース線７からビット線１の方向になるようにする。これによって読出し電流による誤書込みを減らし、より大きな読出し電流を流すことが可能として、高速の読み出しが可能とする。この構造は最も単純な１トランジスタ+１メモリセルの配置なので、単位セルの占める面積は２Ｆ×４Ｆ＝８Ｆ2と高集積なものにすることができる。
スピントルク磁化反転の原理を示す図であり、（ａ）は反平行状態から平行状態への磁化反転を示す図、（ｂ）は平行状態から反平行状態への磁化反転を示す図。 本発明に対する一公知例を示す図。 本発明に対する他の一公知例を示す図。 公知例における記録層磁化と膜厚の積と、熱安定性、しきい電流密度の関係を示す図。 図２で示された公知例における記録層温度と、エネルギー障壁、しきい電流密度の関係を示す図。 本発明の第一の実施例を示す図。 本発明の第一の実施例における記録層温度と、エネルギー障壁、しきい電流密度の関係を示す図。 本発明の第二の実施例を示す図。 本発明の第三の実施例を示す図。 本発明での強磁性付加層の着磁方法を示す図。 ビット線とTMRに流す電流のタイミングを表す図。 本発明におけるメモリアレイ回路の一例を表す図。
符号の説明
１…ビット線、２…記録層、３…障壁層、４…固定層、５…ゲート電極、６…トランジスタ、７…ソース線、８…電流方向、９…電子が移動する方向、２１…発熱体、２２…反強磁性層、２３…反強磁性層、３１…フェリ磁性層、３２…ビット線電流、６１…強磁性付加層、８１…Ｒｕ層、９１…強磁性層、１０１…金属層、１０２…金属層、１０３…ビット線電流、１０４…ビット線電流磁界、１０５…下地層、１２１…ＴＭＲ素子、１２２…ワード線、１２３、１２５…抵抗制御素子、１２４、１２６…抵抗制御素子制御用ワード線、１２７…メモリセル。

Claims (19)

  1. 強磁性体からなる固定層と、前記固定層上に設けた非磁性障壁層と、前記非磁性障壁層上に設けた強磁性体からなる記録層と、前記記録層上に設けた前記記録層と磁気的に結合した強磁性体からなる強磁性付加層とを有する磁気記録部を有し、
    前記記録層の磁化方向と前記固定層の磁化方向が、略平行か、略反平行かによって情報の検出を行い、さらに前記記録層の磁化の方向を、前記記録層の膜面に垂直な方向に通電するスピン偏極した電流でスイッチングする磁気メモリにおいて、
    前記強磁性付加層の磁化方向が前記記録層と略平行であり、
    前記強磁性付加層の磁化は、前記強磁性付加層の温度範囲を150℃から250℃とすることにより、消失することを特徴とする磁気メモリ。
  2. 前記固定層の前記非磁性障壁層が設けられている面に対向する面に反強磁性層が設けられていることを特徴とする請求項１記載の磁気メモリ。
  3. 前記固定層は、第１の強磁性層、非磁性の中間層および第２の強磁性層を積層したものであり、その２層の強磁性層が互いに反平行に交換結合していることを特徴する請求項１記載の磁気メモリ。
  4. 前記強磁性付加層は、GdCo、GdFeCo、GdFe、GdDyFe、GdDyCoまたはGdDyFeCoのいずかで構成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気メモリ。
  5. 前記磁気記録部の前記強磁性付加層の前記記録層のある側と反対側の面に発熱体が設けられ、前記磁気記録部の前記発熱体が設けられている面の反対側には、前記磁気記録部に通電するためのトランジスタが接続されていることを特徴とする請求項１記載の磁気メモリ。
  6. 前記記録層と前記強磁性付加層との間には、非磁性層が設けられていることを特徴とする請求項１記載の磁気メモリ。
  7. 前記固定層の前記非磁性障壁層が設けられている面に対向する面に反強磁性層が設けられていることを特徴とする請求項６記載の磁気メモリ。
  8. 前記固定層は、第１の強磁性層、非磁性の中間層および第２の強磁性層を積層したものであり、その２層の強磁性層が互いに反平行に交換結合していることを特徴する請求項６記載の磁気メモリ。
  9. 前記強磁性付加層は、GdCo、GdFeCo、GdFe、GdDyFe、GdDyCoまたはGdDyFeCoのいずかで構成されていることを特徴とする請求項６記載の磁気メモリ。
  10. 前記磁気記録部の前記強磁性付加層の前記記録層のある側と反対側の面に発熱体が設けられ、前記磁気記録部の前記発熱体が設けられている面の反対側には、前記磁気記録部に通電するためのトランジスタが接続されていることを特徴とする請求項６記載の磁気メモリ。
  11. 前記記録層と前記強磁性付加層との間には、非磁性層と強磁性層が設けられ、前記記録層上に前記非磁性層が設けられ、前記非磁性層と前記強磁性層が設けられていることを特徴とする請求項１記載の磁気メモリ。
  12. 前記固定層の前記非磁性障壁層が設けられている面に対向する面に反強磁性層が設けられていることを特徴とする請求項１１記載の磁気メモリ。
  13. 前記固定層は、第１の強磁性層、非磁性の中間層および第２の強磁性層を積層したものであり、その２層の強磁性層が互いに反平行に交換結合していることを特徴する請求項１１記載の磁気メモリ。
  14. 前記強磁性付加層は、GdCo、GdFeCo、GdFe、GdDyFe、GdDyCoまたはGdDyFeCoのいずかで構成されていることを特徴とする請求項１１記載の磁気メモリ。
  15. 前記固定層はCoFeBであり、前記障壁層はMgOであり、前記記録層はCoFeBであり、前記非磁性層はRuであり、前記強磁性層はCoであるか、又はCoおよびNi,Feを含む合金であり、前記強磁性付加層はGdCo、GdFeCo、GdFe、GdDyFe、GdDyCoまたはGdDyFeCoのいずかでることを特徴とする請求項１１記載の磁気メモリ。
  16. 前記磁気記録部の前記強磁性付加層の前記記録層のある側と反対側の面に発熱体が設けられ、前記磁気記録部の前記発熱体が設けられている面の反対側には、前記磁気記録部に通電するためのトランジスタが接続されていることを特徴とする請求項１１記載の磁気メモリ。
  17. 強磁性体からなる固定層と、前記固定層上に設けた非磁性障壁層と、前記非磁性障壁層上に設けた強磁性体からなる記録層と、前記記録層上に設けた前記記録層と磁気的に結合した強磁性体からなる強磁性付加層とを有する磁気記録部を有し、
    前記記録層の磁化方向と前記固定層の磁化方向が、略平行か、略反平行かによって情報の検出を行い、さらに前記記録層の磁化の方向を、前記記録層の膜面に垂直な方向に通電するスピン偏極した電流でスイッチングする磁気メモリアレイにおいて、
    前記強磁性付加層の磁化方向が前記記録層と略平行であり、
    前記強磁性付加層の磁化は、前記強磁性付加層の温度範囲を150℃から250℃とすることにより、消失するものであり、
    前記磁気記録部の前記強磁性付加層の前記記録層のある側と反対側の面に発熱体が設けられ、前記磁気記録部の前記発熱体が設けられている面の反対側には、前記磁気記録部に通電するためのトランジスタが接続され、
    前記トランジスタの一端が第一の書込みドライバー回路に接続されたソース線に電気的に接続され、前記発熱体の一端が、第二の書込みドライバーと読出し信号を増幅するアンプに接続されたビット線に接続され、前記トランジスタの抵抗を制御するワード線を備え、前記ワード線が第三の書込みドライバーに接続されていることを特徴とする磁気メモリアレイ。
  18. 前記ビット線の一端に接続された第一の可変抵抗素子と、
    前記ビット線の他端に接続された第二の可変抵抗素子と、
    前記第一の可変抵抗素子の抵抗を変化せしめるために用いられる第一の電圧印加手段と、
    前記第二の可変抵抗素子の抵抗を変化せしめるために用いられる第二の電圧印加手段と、を備え、
    書込み動作時には、前記第一の電圧印加手段と前記第二の電圧印加手段との間に電流を流し、前記ビット線と前記ソース線との間にスピン偏極した電流を流すことで生じるスピントルクを用いて記録層の磁化を反転させることを特徴とする請求項１７記載の磁気メモリアレイ。
  19. 強磁性体からなる固定層と、前記固定層上に設けた非磁性障壁層と、前記非磁性障壁層上に設けた強磁性体からなる記録層と、前記記録層上に設けた前記記録層と磁気的に結合した強磁性体からなる強磁性付加層とを有する磁気記録部を有し、
    前記記録層の磁化方向と前記固定層の磁化方向が、略平行か、略反平行かによって情報の検出を行い、さらに前記記録層の磁化の方向を、前記記録層の膜面に垂直な方向に通電するスピン偏極した電流でスイッチングするものであって、
    前記強磁性付加層の磁化方向が前記記録層と略平行であり、
    前記強磁性付加層の磁化は、前記強磁性付加層の温度範囲を150℃から250℃とすることにより、消失するものであり、
    前記磁気記録部の前記強磁性付加層の前記記録層のある側と反対側の面に発熱体が設けられ、前記磁気記録部の前記発熱体が設けられている面の反対側には、前記磁気記録部に通電するためのトランジスタが接続され、
    前記トランジスタの一端が第一の書込みドライバー回路に接続されたソース線に電気的に接続され、前記発熱体の一端が、第二の書込みドライバーと読出し信号を増幅するアンプに接続されたビット線に接続され、前記トランジスタの抵抗を制御するワード線を備え、前記ワード線が第三の書込みドライバーに接続されている磁気メモリアレイを準備し、
    前記ビット線の一端に接続された第一の可変抵抗素子と、
    前記ビット線の他端に接続された第二の可変抵抗素子と、
    前記第一の可変抵抗素子の抵抗を変化せしめるために用いられる第一の電圧印加手段と、
    前記第二の可変抵抗素子の抵抗を変化せしめるために用いられる第二の電圧印加手段とを準備し、
    書込み動作時には、前記第一の電圧印加手段と前記第二の電圧印加手段との間に電流を流し、前記ビット線と前記ソース線との間にスピン偏極した電流を流すことで生じるスピントルクを用いて記録層の磁化を反転させるものであり、
    前記第一の電圧印加手段と前記第二の電圧印加手段との間に流す電流を最初に流しはじめ、次に、前記ビット線と前記ソース線との間にスピン偏極した電流を流しはじめ、次に、前記ビット線と前記ソース線との間にスピン偏極した電流を切り、最後に前記第一の電圧印加手段と前記第二の電圧印加手段との間に流す電流を切ることを特徴とする磁気メモリアレイへの情報書込み方法。
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